专利名称：航天器图像超分辨率传输方法
技术领域：
本发明涉及图像通信系统的设计方法，特别涉及一种航天器图像数据的传输方法，属于空间通信领域。
背景技术：
随着科技的发展，人们对高分辨率图像的需求越来越多，总在想方设法提高图像分辨率。高分辨率遥感图像的获得方法有两种，一种是通过提高遥感成像系统性能直接获得高分辨率图像，另一种则是通过超分辨率处理间接获得高分辨率遥感图像。采用提高遥感成像系统性能时，通常是通过增大相机镜头或减小CCD单个像元尺寸实现，但随着人们对高分辨率遥感图像的需求越来越多，增大相机镜头或者减小CCD像元面积的实现越来越无法满足实际需求，获取成本也越来越高。通过超分辨率处理技术获得高分辨率遥感图像的方法越来越受到图像应用界人士的青睐。超分辨率处理技术是指将一组低分辨率图像进行处理，得到一幅分辨率高于其中任何低分辨率图像的高分辨率图像的处理技术。地面遥感图像超分辨率处理是将由卫星下传的多幅低分辨率图像，在地面进行超分辨率恢复，从而获得超分辨率图像。考虑到低分辨率图像需经过多个环节处理与传输，在星上下传、地面处理恢复以及超分辨率处理过程一定会引入一定的误差和噪声，使用含有噪声和误差的低分辨率图像在地面进行超分辨率处理时，将会在一定程度上将误差和噪声叠加，从而增大超分辨率复原图像与实际场景的误差。综合考虑各方面因素，星上遥感图像的超分辨率处理将会克服地面遥感图像超分辨率处理中遇到的很多困难。星上的低分辨率遥感图像进行星上超分辨率处理，得到超分辨率图像后再进行压缩、编码、加密等处理，地面接收系统只需将获得的信号恢复即可得到超分辨率图像。卫星采集的低分辨率遥感图像在未受到污染时便被用于超分辨率处理，所得超分辨率图像质量是使用同组低分辨率图像处理时所能得到的超分辨率图像中质量最优的。同时在下传过程中超分辨率复原图像受到的噪声影响将会低于噪声的累加值，因此在这种情况下得到的超分辨率图像从理论分析上是优于地面超分辨率处理得到的超分辨率图像的。传统的超分辨率方法进行图像传输，要么进行直接传输低分辨率图像，在地面进行超分辨率处理；要么不传输低分辨率图像，而是在航天器上进行超分辨率处理，得到一幅高分辨率图像并进行传输。传输过程中也会有差错，地面根据有差错的图像数据进行超分辨率处理必然带来处理性能的下降，性能不如在航天器上进行超分辨率处理性能好。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种性能好、适合于航天器处理的图像超分辨率传输方法，该方法把航天器得到的低分辨率图像在航天器上进行筛选，选择部分图像进行超分辨率处理，再传输2幅图像，地面通过数据融合进一步提高性能。避免了地面超分辨率处理的性能不佳问题，又兼顾了星上超分辨率处理的复杂度，把星上处理与地面处理结合起来，进一步提高性能。本发明的技术解决方案是航天器图像超分辨率传输方法，其特征在于包括以下步骤(1)对航天器同一目标区域获取的η幅不同数字图像A1，A2，. . .，An进行筛选，选出其中k幅压缩性能相对好的图像，按压缩性能的好坏依次排列为Bi，B2，...，Bk，其中Bl 压缩性能最好；每幅图像的总比特数均为MNQ，M为行数，N为列数，Q为每个像元的量化比特数，M、N、Q、n、k均为正整数，η彡k ；(2)对Bi，B2, . . . , Bk图像进行超分辨率处理，得到超分辨率图像Cl，大小为 ρ XMXρ XN，总比特数为QMNpp，ρ取正整数；(3)对于图像Bl和图像Cl，分别进行压缩比为rl和r2的压缩，得到2组压缩数据Dl和D2，Dl和D2合成一个数据集D进行传输；(4)接收端对收到的合成数据D进行接收，得到图像Bl和超分辨率图像Cl ；(5)图像Bl和图像Cl进行融合处理，得到超分辨率融合图像A，总比特数为 QMNpp0所述步骤(1)选取压缩性能相对好的图像的方法为下面所述的方法一或方法二 方法一对Al，A2，...，An分别按同一压缩比进行压缩，计算各自的峰值信噪比 PSNR，按PSNR值大小排列，选出k幅PSNR值相对较大的记为Bi，B2，. . .，Bk ；方法二 对Al，A2, . . . , An分别进行无失真压缩，计算各自的压缩比，按压缩比大小排列，选出k幅压缩比相对较大的记为Bi，B2，...，他；所述步骤(3)中压缩比rl和r2的关系为r2 = rlXpXp，即pp rl。所述步骤(5)中融合处理的方法如下首先把图像Bl放大变成图像E1，然后图像El再和图像Cl进行融合处理得到高分辨率图像A，其中A = aEl+(l-a)Cl,0^ a彡1，图像Bl大小为MXN，总比特数为QMN,图像 A和图像El的大小均为pMXpN，总比特数为QMNpp，ρ为正整数；当事先不知道所述的图像Bl和Cl传输质量好坏时，取a = 1/2 ；当事先知道Bl传输质量比Cl传输质量好时，取a = 3/4 ；当事先知道Cl传输质量比Bl传输质量好时，取a =1/4。本发明与现有技术相比的优点在于现有图像超分辨率传输方法，或者是把航天器低分辨率图像直接在航天器上进行超分辨率处理后再传输到地面。或者是把航天器低分辨率图像直接传输到地面进行超分辨率处理，如果传输过程中采用了数据压缩(时域、频域等变换)，则地面超分辨率效果特别差。本发明在传输前对图像进行处理，把η幅图像先进行筛选，最后处理成2幅，减少了传输的数据量。采用不同压缩比的处理方法，把星上超分辨率图像和典型低分辨率图像都进行压缩，变成相同大小的图像，提供两种等级的图像。采用融合处理方法，把2幅图像在地面融合成更好的图像，效果优于不融合的图像。提供第三种等级的图像。在传输过程中传输2种分辨率的图像，在地面融合成更高质量的超分辨率图像，给用户更多选择，满足不同的等级用户的需求。本发明的超分辨率处理技术基于低分辨率图像处理，通过处理方法得到高分辨率的图像，在航天器传输中有非常重要的应用价值。星上直接进行超分辨率处理的实现比较复杂，如果采用的图像数量多，则处理过程复杂；如果采用的图像数量少，则处理效果相应变差。本发明把星上超分辨率处理的复杂度降低，又通过地面融合处理方法提高图像质量， 具有鲜明的特点和优良的处理效果，可以避免目前超分辨率处理的缺点，从而在航天器工程中更具有实用价值。
图1为本发明传输方法所采用的结构框图。
具体实施例方式本发明的航天器图像超分辨率传输方法，是将航天器针对地面同一目标地区拍摄的不同图像Al，A2，. . .，An经过筛选、超分辨率处理得到含原图像整体信息的图像Bi、Cl， 经过压缩、数据合成后进行传输。地面接收后恢复出Bl和Cl图像，根据图像质量和用户等级要求产生新的图像A，A的分辨率和质量优于原始图像Al，A2，. . .，An。采用本发明方法， 可以有效解决超分辨率图像质量与星上实现复杂度的矛盾地面超分辨率由于传输差错造成超分辨率处理效果差，而完全在星上进行超分辨率处理复杂度高，处理效果也有限。本方法提高了星上超分辨率和地面超分辨率的性能，降低了航天器处理和传输设备的复杂度， 满足不同用户的图像质量等级需求。下面结合图1阐述本发明详细实现方法(1)对航天器同一目标区域获取的η幅不同数字图像A1，A2，. . .，An进行筛选，选出其中k幅压缩性能相对好的图像，按压缩性能的好坏依次排列为Bi，B2，...，Bk，其中Bl 压缩性能最好；每幅图像的总比特数均为MNQ，M为行数，N为列数，Q为每个像元的量化比特数，M、N、Q、n、k均为正整数，η彡k ；选取压缩性能相对好的图像的方法为下面所述的方法一或方法二 方法一对Al，A2, . . . , An分别按同一压缩比进行JPEG2000或其他压缩，计算各自的峰值信噪比PSNR,按PSNR值大小排列，选出k幅PSNR值相对较大的记为Bi，B2，· · ·， Bk ；方法二 对Al，A2, . . . , An分别进行无失真压缩，计算各自的压缩比，按压缩比大小排列，选出k幅压缩比相对较大的记为Bi，B2，...，他；(2)对Bi，B2, . . . , Bk图像进行超分辨率处理，得到超分辨率图像Cl，大小为 PMXpN,总比特数为QMNpp，ρ为正整数；超分辨率处理方法有POCS方法以及IBP方法等。对遥感图像进行超分辨率复原处理最早由Harris于上世纪60年代提出，复原算法中采用傅立叶级数展开的方式获得了分辨率提高的遥感图像，但该技术在实际中应用效果并不理想，所以并没有被广泛应用。直到上世纪80年代超分辨率复原技术在图像处理领域才得到突破性的进展，如H. Stark和 P. Oskoui提出的基于凸集合投影理论的复原算法(POCS)，采用POCS算法原理进行编程时， 遥感图像超分辨率处理的详细方法可以参考科学出版社出版的徐青，谭兵主编的《遥感影像融合与分辨率增强技术》。(3)对于图像Bl和图像Cl，分别进行压缩比为rl和r2的压缩，得到2组压缩数据Dl和D2，Dl和D2合成一个数据集D进行传输；当r2 = pprl时，Dl和D2大小一致，则传输总数据量只有Al，A2，. . . ,An总数据量的2/(nrl)(即η rl分之2)。所述步骤(3)对图像进行压缩是对原分辨率图像和超分辨率图像都进行压缩，压缩比不一样。对Bl采用 JPEG2000等方法压缩rl倍，得到总比特数为QMN/rl，rl为正整数；对超分辨率图像Cl压缩r2倍(r2 = pprl，即rlXpXp)得到数据集D2，总比特数为QMN/rl。(4)接收端对收到的合成数据D进行接收处理，得到两种等级的图像Bl和超分辨率图像Cl。(5)图像Bl和图像Cl进行融合处理，得到超分辨率融合图像A，总比特数为 QMNpp (第三种等级的图像)。融合处理的方法如下首先把图像Bl放大变成图像E1，然后图像El再和图像Cl 进行融合处理得到高分辨率图像A，其中A = aEl+(l-a)Cl,0彡a彡1，图像E1，图像A、图像El和Cl大小均为pMXpN,总比特数为QMNpp0通常a取1/2，如果知道Bl传输质量比Cl传输质量好，可以取a > 1/2。优选a =3/4 ；如果知道Cl传输质量比Bl传输质量好，可以取a < 1/2，优选a = 1/4。下面通过具体实施例对本发明做进一步阐述，设原图像(图像Al，A2，。。。An)的大小为 512X512,8 比特量化。M = 512，N = 512，Q = 8，η = 16，k = 4.(1)对航天器同一目标区域获取的数字图像Al，A2，. . .，A16进行JPEG2000或其他压缩，固定压缩比，计算各自的PSNR(峰值信噪比)，按PSNR值大小排列，选出k幅(记为 Bi，B2, B3, B4)；其中Bl压缩性能最好。(2)对Bi，B2, B3, B4图像进行超分辨率处理，得到超分辨率图像Cl，大小为 1024X1024，ρ = 2。(3)对于Bl图像和Cl图像，进行分别压缩比rl = 4和r2 = pprl = 16的压缩， 得到2组大小一致的压缩数据Dl和D2。Dl和D2合成一个数据集D进行传输；总数据量只有Al，A2，· · ·，A16总数据量的2/ (16X4)(即64分之2)所述步骤(；3)对图像进行压缩是对原分辨率图像和超分辨率图像都进行压缩，压缩比不一样。对Bl采用JPEG2000等方法压缩4倍，得到总比特数为QMN/4 ；对超分辨率图像Cl压缩16倍(r2 = 4rl,即4X2X2)得到数据集D2，总比特数也为QMN/4。注特例， 当压缩比rl = 1时，就是Al，A2，...，An不压缩，方法仍然有效。(4)接收端对收到的合成数据D进行接收，得到两种等级的图像Bl和超分辨率图像Cl。(5)根据图像Bl对图像Cl进行融合处理，得到超分辨率融合图像A，大小为 10MX10M，8量化。(第三种等级的图像)。A = aEl+(l_a)Cl。另外，对Al，A2, ... , A16筛选时不一定采取整图像压缩方法，可以采取对整图像的采样方法，降低复杂度。数据融合技术就是将多个传感器获得的具有冗余性和互补性的多源数据进行综合处理，以获取对同一场景的更为精确、全面、可靠的描述。图像融合是以图像为研究对象的数据融合，它将同一对象两幅或多幅图像合成到一幅图像中，使得到的图像比原来任何一幅图像都更容易被人们所理解，并能反映多源图像中的信息，为图像分析、图像理解和计算机视觉具有非常重要的意义。我们把2幅不同来源的图像，根据图像融合技术进行综合处理，得到一幅图像。该图像比原图像对同一场景的描述更为精确、全面、可靠。本发明具有广阔的应用前景和实用性，适合于大容量、高分辨率对地观测航天系统的高分辨率遥感图像的传输，也适合一般图像在地面通信系统或网络中进行传输。本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
权利要求
1.航天器图像超分辨率传输方法，其特征在于包括以下步骤(1)对航天器同一目标区域获取的η幅不同数字图像A1，A2，...，An进行筛选，选出其中k幅压缩性能相对好的图像，按压缩性能的好坏依次排列为B1，B2，. . .，Bk，其中Bl压缩性能最好；每幅图像的总比特数均为MNQ，M为行数，N为列数，Q为每个像元的量化比特数， M、N、Q、n、k均为正整数，η彡k ；(2)对Bi，B2，...，他图像进行超分辨率处理，得到超分辨率图像Cl，大小为 ρ XMXρ XN，总比特数为QMNpp，ρ取正整数；(3)对于图像Bl和图像Cl，分别进行压缩比为rl和r2的压缩，得到2组压缩数据Dl 和D2，Dl和D2合成一个数据集D进行传输；(4)接收端对收到的合成数据D进行接收，得到图像Bl和超分辨率图像Cl；(5)图像Bl和图像Cl进行融合处理，得到超分辨率融合图像A，总比特数为QMNpp。
2.根据权利要求1所述的航天器图像超分辨率传输方法，其特征在于所述步骤(1) 选取压缩性能相对好的图像的方法为下面所述的方法一或方法二方法一对Al，A2，. . .，An分别按同一压缩比进行压缩，计算各自的峰值信噪比PSNR， 按PSNR值大小排列，选出k幅PSNR值相对较大的记为Bi，B2，. . .，Bk ；方法二 对Al，A2, . . . , An分别进行无失真压缩，计算各自的压缩比，按压缩比大小排列，选出k幅压缩比相对较大的记为Bi，B2，...，他；
3.根据权利要求1所述的航天器图像超分辨率传输方法，其特征在于所述步骤(3) 中压缩比rl和r2的关系为r2 = rl XpXp Jpp rl。
4.根据权利要求1所述的航天器图像超分辨率传输方法，其特征在于所述步骤(5) 中融合处理的方法如下首先把图像Bl放大变成图像E1，然后图像El再和图像Cl进行融合处理得到高分辨率图像A，其中A = aEl+(l-a)Cl，0彡a彡1，图像Bl大小为MXN，总比特数为QMN，图像A 和图像El的大小均为pMXpN，总比特数为QMNpp，ρ为正整数；
5.根据权利要求4所述的航天器图像超分辨率传输方法，其特征在于当事先不知道所述的图像Bl和Cl传输质量好坏时，取a = 1/2 ；当事先知道Bl传输质量比Cl传输质量好时，取a = 3/4 ；当事先知道Cl传输质量比Bl传输质量好时，取a = 1/4。
全文摘要
航天器图像超分辨率传输方法，把航天器得到的低分辨率图像A1，...，An，先在航天器上进行筛选，选择部分图像进行超分辨率处理，再传输2幅图像，地面通过数据融合进一步提到性能。避免了地面超分辨率处理的性能不佳问题，又兼顾了星上超分辨率处理的复杂度，把星上处理与地面处理结合起来，进一步提高性能，满足不同等级用户的需求。
文档编号G01C11/00GK102523442SQ20111046087
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年12月29日
发明者周诠, 呼延烺, 李敏奇, 李晓博, 肖化超, 黎军 申请人:西安空间无线电技术研究所